Em Teoria: Por que se importar com a física teórica?

Em Teoria: uma série sobre o departamento de física teórica do CERN

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O que faz um físico teórico prosseguir nessa carreira? Camille Bonvin é uma das bolsistas no CERN buscando teorias da cosmologia. (Imagem: Sophia Bennett / CERN)

Artigo traduzido de CERN. Autor: Harriet Jarlett.

“Livros infantis de ficção eram tão entediantes que eu li todos os livros de ciência”, diz John Ellis, físico teórico que trabalhou no “processo Higgs-strahlung” que ajudou a descobrir o bóson de Higgs em 2012.

John Ellis, do Kings College London, em seu escritório no CERN cercado por livros de ciência. Foram esses livros que o arrastaram para a física quando era uma criança, quando ele descobriu que não poderia ler a “boa ficção” da biblioteca até que tivesse 14 anos de idade. (Imagem: Sophia Bennett / CERN)

Tédio. Essa palavra se destaca quando os físicos teóricos no CERN falam sobre como eles chegaram onde estão agora.

Entediante e complicado são palavras muitas vezes associadas a impressão que as pessoas têm da física em geral. Para alguns teóricos que trabalham no CERN, a física não era opção de carreira – suas próprias lições do assunto eram chatas. Em vez disso, imaginavam-se como matemáticos, médicos e engenheiros.

Isso levou professores com uma verdadeira paixão sobre o assunto – que viram que as questões fundamentais e respostas sobre a natureza estavam além da matemática – a se tornarem físicos por sua verdadeira vocação. Para outros, ao mesmo tempo que levaria tempo para descobrir a física teórica, seu amor pelo assunto foi aceso pelos prazeres da infância, muito antes que alguém pudesse fazer a física parecer entediante.

“Eu gostava de física, mas eu achei que era meio seca, meio entediante, então eu decidi estudar medicina”, explica Camille Bonvin, bolsista, agora no início de sua carreira no departamento de teoria do CERN.

Bonvin estava na universidade estudando medicina quando algo que ela aprendeu no final de seus dias de escola começou a tocar em sua mente. “Logo no fim da escola conheci um professor fantástico que começou a falar sobre cosmologia, relatividade geral e mecânica quântica. Ele não entrava em detalhes porque não estava relacionado ao curso, mas explicava as ideias por trás dessas teorias estranhas que eu não tinha ouvido falar antes.”

Este professor foi um gatilho, e seis semanas de aula ligaram Bonvin à física. Agora, ela está começando sua nova posição de professora assistente na Universidade de Genebra – onde conseguiu seu doutorado em 2008.

“Não que eu não gostasse de medicina, é que se eu continuasse a estudar medicina eu nunca iria saber mais sobre a relatividade geral e física quântica.”

Da mesma forma, Gian Giudice, o novo chefe do departamento de Teoria do CERN, caiu nas graças da física depois que um professor substituto com uma paixão sobre o assunto mostrou-lhe que a física na escola é muitas vezes entediante porque é ensinada sem as ferramentas da matemática – é a matemática que torna a física tão emocionante.

“Meu professor de ensino médio era bom em palestrar matemática, mas ele era mais entediante ensinando física. Ele parecia totalmente sem graça ensinando apenas algumas leis da física”, explica Giudice. “Um dia ele ficou doente e este jovem professor substituto entrou na classe e nos mostrou como as leis da mecânica aplicada a um sistema de partículas em colisão podia derivar das leis da termodinâmica. Ele abriu meus olhos para uma nova perspectiva sobre o poder da dedução lógica na física. Foi uma das experiências mais fascinantes da minha vida!”

Mas, para Michelangelo Mangano, que trabalhou no departamento de teoria do CERN por 22 anos, sua meta foi definida quando era criança enquanto ele olhava para o céu da noite, vendo a profundidade do Universo e imaginando o que ele poderia aprender.

“Eu sou da geração Apollo – eu era uma criança quando as missões Apollo estavam indo para a Lua, e isso me atraiu para o cosmos. Eu sempre planejei fazer astronomia e astrofísica”, sorri Mangano. “Mas quando cheguei na universidade, a astrofísica significou sair da abordagem ingênua de um jovem que olha para o céu para o processamento de números. Isso tirou o fascínio.”

(Imagem: Maximillien Brice. / CERN)

Para preservar seu próprio prazer em observar estrelas, ele começou a se interessar pela física de partículas.

Foi na universidade que muitos desses físicos teóricos descobriram que a física de partículas, assim como todas as outras ciências, ajuda a responder as perguntas do Universo. Mas ao contrário de outras ciências, trata-se de olhar a natureza e interpretar a lógica por trás dela, vendo quais leis da físicas se aplicam.

“A física não é uma ciência descritiva em que você simplesmente observa a natureza e faz um catálogo dos fatos. O objetivo é compreender a lógica por trás dos fatos e descobrir o funcionamento interno da natureza”, diz Giudice.

O que é a teoria?

Através da universidade, cada um destes cientistas refinaram as suas opções de carreira futura, de um amor filial pela ciência em geral e uma aptidão natural para a matemática, para estudar uma área da física. Mas dentro da física há muitos ramos e a física experimental muitas vezes capta a imaginação do público com mais facilidade, com suas máquinas enormes que parecem imitar a ficção científica.

“No começo eu achei a física de partículas muito fria. Mas então, quando você olha para ela a partir da perspectiva matemática, você percebe a conexão incrível existente entre a matemática e a estrutura do Universo, e isso tem um apelo incrível.” – Michelangelo Mangano

Experimentos têm sido cruciais para as maiores descobertas da física desta década, apesar das máquinas procurarem coisas que a teoria tinha predito muitas décadas antes.

O Large Hadron Collider dominou as notícias sobre física de partículas desde a grande descoberta do bóson de Higgs em 2012 – e, muito recentemente, um experimento de grande escala nos EUA, o Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), detectou ondas gravitacionais 100 anos após a teoria de Einstein prever sua existência.

Camille Bonvin, bolsista no departamento de Teoria do CERN, levou seis semanas para trocar a mediciana pela física, quando o pensamento de nunca mais aprender sobre relatividade geral ou cosmologia a fez mudar de ideia. (Imagem: Sophia Bennett / CERN)

Com estas duas descobertas, duas teorias – a teoria da relatividade geral de Einstein e o Modelo Padrão – se provaram ser a melhor descrição do nosso mundo, mas ainda assim não explicam o quadro completo.

Até agora, essas teorias disseram aos experimentos para onde olhar e o que procurar. Teorias são tão cruciais para a física experimental que o departamento de teoria do CERN, liderado por Niels Bohr, foi criado dois anos antes do resto do CERN.

Então, em 1952, um grupo de teóricos, muitos na faixa dos trinta anos, reuniu-se em Copenhague e tinha três objetivos: investigação científica sobre os problemas fundamentais da física nuclear, formação de jovens físicos teóricos e o desenvolvimento de uma cooperação ativa entre os laboratórios – esse era o departamento de teoria do CERN original.

Atualmente, o departamento de teoria do CERN está trabalhando em inúmeras teorias, da supersimetria à teoria das cordas. Mas agora, é possível que essas teorias e ideias possam ser lideradas pelas experiências.

Então, o que faz com que um físico opte por seguir o caminho da teoria em vez das experiências?

Por que escolher a teoria?

“Eu sempre quis ser teórico, estudei física, minha intenção sempre foi me tornar um teórico. Na verdade, na universidade estudei matemática e física teórica e não fiz experimento algum.”- John Ellis

“Há muitos detalhes envolvidos na construção de um experimento. Verificar todos os ímãs, ou enrolar 100 metros de fio, essas coisas não são excitantes. Experimentalistas precisam de enormes colaborações apenas para compartilhar essas tarefas repetitivas entediantes, mas eles também compartilham a diversão. Na teoria, temos que nos concentrar mais no lado conceitual das coisas”, disse outro teórico do CERN, Slava Rychkov, explicando por que ele escolheu este caminho específico da física – ressaltando que também compartilha a diversão de ver um enorme experimento sendo construído.

“Eu tinha uma vida dupla na minha universidade em Moscou. Aconteceu então que eu comecei a fazer pesquisa em matemática pura e, em seguida, muito mais tarde, eu tive a oportunidade de experimentar a física teórica. Achei que toda a diversão estava na matemática, mas na física teórica você tem uma sensação de estar realmente estudando as questões fundamentais da natureza”, disse Slava Rychkov. (Imagem: Sophia Bennett / CERN).

A decisão de Rychkov em tornar-se um teórico foi fácil, para ele a escolha foi entre matemática e física.

Onde físicos teóricos dizem “ok, isso é 99% verdade, vamos avançar”, um matemático poderia passar décadas tentando concluir aquele 1% para torná-lo 100% verdadeiro. Isso é um grande preço a ser pago.

Assim como o notável teórico Richard Feynman, que ficou famoso discutindo sua aptidão pela eletrônica e mexendo com rádios como uma criança, uma coisa que muitos dos teóricos do CERN têm em comum é sua completa falta de habilidade prática.

“Eu sou completamente inútil com as minhas mãos”, riu John Ellis, na frente das montanhas de artigos e livros que enchem seu escritório. “Minha esposa finalmente conseguiu me fazer pintar a casa pela primeira vez em 30 anos, e isso foi anteontem!”

Giudice teve o mesmo problema, ele explica que sem os seus parceiros de laboratório nunca teria passado nas aulas práticas na universidade. “Eu era terrível. Eu sempre fui um desastre no laboratório, eu não tinha ideia do que fazer. Felizmente havia outras pessoas fazendo tudo para mim, porque eu não sou um homem prático.”

Mangano também era inútil com a eletrônica, mas discorda que isso implica numa falta de praticidade, pois gosta de carpintaria, alvenaria e madeira.

Wolfgang Lerche, em contrapartida, adorava a eletrônica na juventude, ostentando que ele poderia bater muitos de seus colegas experimentais em termos de capacidade prática.

Wolfgang Lerche (à direita) trabalha sobre os aspectos profundamente matemáticos da teoria das cordas, apesar de sua natureza prática. Aqui, ele é entrevistado por Harriet Jarlett para esta série de artigos. (Imagem: Sophia Bennett / CERN)

Enquanto era estudante na Alemanha, sua universidade não ensinou física de partículas. Em vez disso, ele aprendeu sobre ela em 1979, quando, como estudante de verão no CERN, encontrou um novo mundo da física e foi atraído para o reino da física teórica.

Lerche sabe que, embora as competências necessárias para a física experimental e teórica sejam diferentes, há sempre alguma sobreposição.

“Muito do tempo de qualquer físico é gasto tentando descobrir por que algo não funciona. A tolerância para lidar com a frustração e a paciência necessária para resolver os problemas “impossíveis” são habilidades básicas necessárias em ambos os grupos.”

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